声音与听觉系列知识 Part 6 — 厅堂声学1

当没有反射或混响的时候，点声源的声强遵循反平方定律。如下图所示。

根据球面积的计算公式，以及强度等于能量除以面积的理论，可知声音传播过程中，声音的强度会快速衰减。

当距离声源位置从r变为2r时，声强变为r位置处的1/4，3r位置处的强度变为1/9。

反平方定律与等响度曲线(本系列公众文章在第三篇中详细讲解了等响度曲线，大家可自行参考)所反映出来的人耳对低音的快速响应损失现象是厅堂声学必须解决的问题。

可以想象，如果不解决反平方律所引入的问题，坐在剧院后排的听众，需要一副有惊人听力的耳朵。

混响是结构表面引起的所有反射声的集合。

混响可用于弥补反平方律引起的声强损失；但如果混响过多，会让听音位置处的声音变得模糊不清，甚至是混乱。

为了量化混响，需要介绍混响时间的概念。

在某些应用场合，我们需要选择合适的混响时间，甚至是调节混响时间的长度。例如：专业的混响室可以通过调节墙面的阻尼来实现混响时间的调节；通过混音板中的弹簧和吉他的放大器，增加或减少混音效果；音效软件中通过数字音频处理手段增加或减少音乐的混响效果。

混响时间的概念：声音衰减到初始量级的60dB以下时所需的时间。

以60dB衰减来定义混响时间，是因为一般管弦乐器发出的声音的最大量级是100dB，而音乐厅的背景噪声是40dB左右。

一个叫Sabine的科学家提出了下述公式来近似计算混响时间，称之为赛宾公式(不适用于所有情况)。

a是给定区域S对应的吸声系数。

此外，根据混响时间的定义，可以利用衰减曲线来测量混响时间。这也是很多工程应用中常用的方法。

假如测得一个上图所示的声音衰减信号，T0时刻的电压值为176mV，T时刻的电压值衰减到54mV，利用下列公式可计算出混响时间为0.41秒。

不同的应用场景需要选择不同的混响时间(可参考上图)：

• 对于房间尺寸中等的普通声学房间应用(例如演讲和音乐)， 2秒左右的混响时间是比较合适的；

• 对于教室，混响时间要小于1秒；

• 对于录音棚，为了保证录音的清晰度，混响时间越短越好。

上图是在一个有混响效果的房间内，由一个尖锐冲击声引起的，在一定距离以外测得的声音时域信号。

从图中可以看出，首先测得的是从声源直接传播过来的脉冲信号(直达声)，然后是最早反射过来的声音(近次反射声)，最后是很多反射声混合和叠加在一起的声音(远次反射声)，最后是混响(所有声音混合在一起)。

每种声音成分对我们做声场分析都有很重要的作用：

• 直达声带有明确的方向信息，体现着声源的瞬态特性，有利于声像的定位，影响着声音的清晰度，是声源信息的主要表现力量。

• 近次反射声对提高声音的清晰度大有益处，同时在声压级(响度)的增强、声音丰满度和亲切感的塑造上也是举足轻重。而且，近次反射声有助于加强直达声，对声音的空间感和洪亮度都有非常重要的作用。

• 远次反射声是混响声的主要能量来源，可以帮助人们辨别封闭空间声学特性及房间容积的大小等，对音乐节目来说可增加乐声的丰满度，在提供优美动听成分的同时对近次反射声具有掩蔽作用，能够影响声音的清晰度和语音识别度，因此不能没有，但不宜过大。

不管是脉冲引起的还是突然停止的稳态声引起的混响，都会呈指数衰减。